生物实验设计原则和方法

生物实验设计原则和方法高二生物公开课实验名称是关于一个什么内容的实验。实验目的要探究或者验证的某一事实。实验原理进行实验依据的科学道理。实验条件完成该实验必需的仪器、设备、药品条件。实验方法与步骤实验采用的方法及必需操作程序。实验数据与记录对实验过程及结果应有科学的测量手段与准确的记录。实验结果预测及分析能够预测可能出现的实验结果并分析导致的原因。实验结论对实验结果进行准确的描述并给出一个科学的结论。设计实验时，要考虑到实验材料容易获得，实验装置比较简单，实验药品比较便宜，实验操作比较简便，实验步骤比较少，实验时间比较短。一、实验设计的原则1.科学性原则所谓科学性，是指实验目的要明确，实验原理要正确，实验材料和实验手段的选择要恰当，整个设计思路和实验方法的确定都不能偏离生物学基本知识和基本原理以及其他学科领域的基本原则。2.简便性原则单一变量原则是实验步骤设计中非常重要的原则。它有两层意思：一是确保”单一变量”的实验观测，即不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个实验变量对应一个反应变量；即控制其他因素不变，只改变其中某一变量，观察其对实验结果的影响。除了整个实验过程中欲处理的实验因素外，其他实验条件要求做到前后一致。3.单一变量原则该实验一是要获得和解释温度变化（实验变量）与酶的活性（反应变量）的因果关系。二是确保变量唯一。即实验操作中要尽可能避免无关变量及额外变量的干扰。例如，上述实验中除实验变量（低温、适温、高温）以外，试管洁净程度、唾液新鲜程度、可溶性淀粉浓度和纯度、试剂溶液的剂量、浓度和纯度，实验操作程序，温度处理的时间长短等等，都属于无关变量，要求对低温、适温、高温三组实验是等同、均衡、稳定的；如果无关变量中的任何一个或几个因素或条件，对三个实验组的给定不等同、不均衡、不稳定，则会在实验结果中产生额外变量，出现干扰，造成误差。例：在”温度对淀粉酶活性的影响”的实验中，所给定的低温（冰快）、适温（37℃）、高温（沸水浴）就是实验变量。由于低温、适温、高温的条件变化，唾液淀粉酶水解淀粉的反应结果也随之变化，这就是反应变量。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照对比，即可排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。通常，一个实验总分为实验组和对照组。实验组，是接受实验变量处理的对象组；对照组，对实验假设而言，是不接受实验变量处理的对象组，至于哪个作为实验组，哪个作为对照组，一般是随机决定的，这样，从理论上说，由于实验组与对照组的无关变量的影响是相等的，被平衡了的，故实验组与对照组两者之差异，则可认定为是来自实验变量的效果，这样的实验结果是可信的。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型：4.对照原则（1）空白对照指不做任何处理的对象组。（2）条件对照指虽给对象施以某种实验处理，但这种处理是作为对照意义的。例如“实习一，动物激素饲喂小动物的实验”，采用等组实验法，其实验设计方案是：例如：“实习一，动物激素饲喂小动物的实验”，甲组：饲喂甲状腺激素（实验组）乙组：饲喂甲状腺抑制剂（条件对照组）丙组：不饲喂药剂（空白对照组）（3）自身对照指实验与对照在同一对象上进行，即不另设对照组。如：”植物细胞质壁分离和复原”实验，就是典型的自身对照。自身对照，方法简便，关键是要看清楚实验处理前后现象变化的差异，实验处理前的状况为对照组，实验处理后的变化则为实验组。（4）相互对照指不另设对照组，而是几个实验组相互对比对照，在等组实验法中，大都是运用对照，如：“植物的向性”的等组实验，4个试验组所采用的都是相互对照，较好的平衡和抵消了无关变量的影响，使实验结果更具有说服力。平行重复原则，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。上述随机性原则虽然要求随机抽取样本，这能够在相当大的程度上抵消非处理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影响。平行重复的原则就是为解决这个问题而提出的。5.平行重复原则：二、实验设计的基本方法1、明确题目要求：解题首先要明确题意，只有明确题意才能方向明确，少走弯路。看清题意是要求设计实验方案、步骤还是分析实验结果。2、明确实验目的和实验原理：明确实验到底要解决什么问题，要用到生物学上什么原理。它是实验科学性的保证。3.确定实验思路：就是根据原理对实验作出假设，并对可能产生的现象作出预期，并充分利用实验材料设计实验思路。实验大致可分为观察实验、验证实验、定性（量）分析实验、模拟实验、探究性实验等。根据题目要求我们可以把实验归类，根据不同的实验可以选用不同的方法，要不要控制变量，要不要设置对照等。4、设计实验步骤：根据上述实验目的、原理和思路，设计出合理的实验装置和实验操作步骤。要思考题目中所给出的实验材料和试剂分别起什么作用，怎样运用，要注意：一是题目中给出的实验试剂和材料一般应充分利用；二是除非题目条件允许，否则不能自己随意增加实验试剂和材料。由于实验设计是一种开放性试题，可能存在多种实验步骤，但一般应遵循以下几个要求：简便性、可行性、安全性和精确性。5、记录实验现象和数据：在实验中将观察到的现象如实、准确地记录下来。除了用文字进行记录外，还可以用数据或符号进行记录。6、分析得出结论：根据实验观察的现象和记录的数据，通过分析、计算、图表、推理等处理，归纳出一般概括性判断，并用文字、图表、绘图等三、实验设计题型类析1.设计实验方案：题目给出实验目的及一些附加条件，让学生设计实验方案，写出实验原理，解答这类题首先要根据题目的要求和给出的条件，确定和书本相关的知识点及实验原理，构思相关的生物情境，然后再设计便于操作的实验方案例1设计一个于室外空旷处进行的，在不用任何药剂、装置合乎触及幼苗的情况下，使幼嫩植株长成如图示形态的实验方案，并说明实验原理。(1)实验方案(2)实验设计原理解析：这是来源于生活中的习题，可采用的方法很多，如利用向光性生长等，但题目作了许多限制，因此根据生活常识可设计为将正常生长的植株花盆侧放在地上，待其弯向上方生长后，再摆正花盆。其原理为利用茎的背地性生长的特性。2.设计实验步骤：根据题目要求给定的器材以及实验提出的目的，设计或补全实验步骤。这类题目体现了高考试题理论联系实际的原则和学以致用的趋向。要求教学中要强化实验，培养学生“根据实验试题的要求和有关原理设计出简单实验方法”的能力，以及“通过分析和综合、比较和论证，选择解决问题的最佳方案的评价能力”。例2：（2003年全国）某实验小鼠适宜生活在25℃左右的环境中，为探究低于适宜温度的环境（10℃）对小鼠能量代谢的影响（能量代谢的强弱用单位时间的耗氧量表示），请依据所给的实验装置（如图）、实验材料的用品，在给出的实验方法的步骤的基础上，继续完成探究实验，预测可能的实验结果和结论，并回答问题。材料的用品：小鼠、冰袋、秒表等。方法和步骤：步骤1、将小鼠放入广口瓶的笼子里，加塞密闭，打开夹子A、B、C，片刻后关闭夹子B，用注射器抽取10ml氧气备用。关闭夹子C，打开夹子B，使水压液面左右平齐。步骤2、步骤3结果预测和结论：1、2、3、该实验最可能的结果和结论是：原因是：、3.设计实验改进方法：此类试题主要考查学生对实验设计的严密性和科学性，并以此为媒介，引导解决问题的最佳方法，进一步培养学生的科学素质和科学能力。例3（01高考）有人设计了下列实验，试图证明“生长素（IAA）在植物体内的运输，主要从植物体形态学上端向形态学下端运输，而不能倒转运输”一、材料、用具胚芽鞘、琼脂、刀片等二、方法、步骤和结果1、制备琼脂块2、取一琼脂块中间部分，上面放含IAA的琼块，下面放空白琼脂块。3、取步骤2下面的琼脂块a的一部分放在去尖端的胚芽鞘的一侧。4.综合实验设计型：这类试题完全为开放性试题，其条件、方法和方案均具有不确定性。要求根据题型要求自行设计。例4已知唾液中含有淀粉酶，淀粉酶可以催化淀粉的水解；又知鸡蛋被加热到65℃后会“变熟”，但不知唾液淀粉酶被加热到65℃后是影响否其生物活性。为探究此问题，请你依据所给材料和用品设计出相应的实验方案，并预测可能的实验结果及可获得的相应结论。材料用品：经过稀释的唾液、经过稀释并煮熟的淀粉糊两份(一份保持在37℃环境中，另一份保持在65℃环境中)、碘酒、酒精灯或其他的加热设备、试管若干、量筒、滴管、大烧杯、温度计等。实验方案：(1)_______________________________(2)将一支试管放入37℃左右的温水中，将另一支试管放入65℃的温水中。两试管均保持温度5min后取出。(3)_______________________________可能的实验结果及相应的结论：要答好这类实验设计题，应注意以下几个方面：1、明确实验目的认真审题，找到关键词，搞清实验要探究什么问题本题主要是以温度对酶(蛋白质)活性的影响为知识背景，考查同学探究性实验的设计能力。所以读完题后，应明确本实验的目的是探究65℃的温度是否影响唾液淀粉酶的生物活性。2、理解实验原理实验原理是指设计实验的依据，本实验原理包括1：在37℃环境下，唾液淀粉酶可以催化淀粉水解，2：碘遇淀粉变蓝。3、把握实验原则单因素可变原则：本实验的两组处理除温度因素，其他方面均相同。根据题意要求，4、全面预期实验结果对实验作出全面的预期，本实验可能的结果有三种：(1)65℃不影响唾液淀粉酶的活性，(2)65℃降低唾液淀粉酶的活性，(3)65℃使唾液淀粉酶丧失活性。5、结论科学，表述准确结论科学指实验现象与结论之间有因果关系，符合逻辑。实验设计方案包括：(1)取甲、乙两支洁净试管分别作标记，一支注入37℃的淀粉糊3mL，另一支注入65℃的淀粉糊3mL，再向两试管各注入等量的2mL唾液，取丙试管注入37℃淀粉糊3mL，蒸馏水2mL并振荡。分别保温。(3)冷却后，分别向两试管内滴入等量的碘酒，观察并比较两试管中液体的颜色。对照性原则：本实验丙试管为空白对照，甲试管37℃常态为标准对照。如本实验可能的实验结果及相应的结论是：(1)若甲、乙两试管液体的颜色相同(均为无色或均为碘酒颜色)，则证明唾液淀粉酶在被加热到65℃后不影响其生物活性。(2)若经65℃处理的乙试管中液体呈现蓝色与丙试管液体颜色相同，则证明唾液淀粉酶在被加热到65℃后丧失了生物活性。(3)若经65℃处理的乙试管中液体呈现蓝色但是比丙试管液体颜色浅，则证明唾液淀粉酶在被加热到65℃后生物活性降低了。思考题1、设计一实验验证镁是植物生活的必需元素。2、设计实验探究光是不是种子萌发的必要条件。